Werkzeuge der Umform- und Zerteiltechnik. Gesenkschmiedewerkzeuge. Prof. Dr.-Ing. Alexander Brosius. Termin Thema Termin Thema

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1 Fakultät Maschinenwesen, Institut für Fertigungstechnik, Professur Formgebende Fertigungsverfahren Werkzeuge der Umform- und Zerteiltechnik Gesenkschmiedewerkzeuge Prof. Dr.-Ing. Alexander Brosius 28. April 2015 Vorlesungsüberblick Sommersemester 2015 Termin Thema Termin Thema Einführung Grundlagen der Werkzeuge Gesenkschmiedewerkzeuge Übung Grundlagen der Werkzeuge Fließpresswerkzeuge Gesenkkonstruktion 1 (Beleg) Strangpresswerkzeuge Gesenkkonstruktion 2 (Beleg) Einführung FEM Berechnung FEM Werkzeuge der Blechumformung Berechnung FEM Folgeschneidwerkzeuge I Folgeschneidwerkzeuge II Folgeschneidwerkzeug (Beleg) Visioplastizität Konsultation zum Beleg Sonderwerkzeuge Konsultation / Ausweichtermin Repetitorium / Ausweichtermin

2 Repetitorium Rückblick auf einzelne Prozesse Genereller Aufbau von Werkzeuge Relevante Werkzeugelemente und -baugruppen Abgeleitete Werkzeugbelastungen Produktionszahlen der Massivumformung Produktion in 1000 Tonnen (Quelle: Industrieverband Massivumformung, 2008)

3 Einsatzbereiche von Massivumformteilen aus Deutschland Branchen, in denen Massivumformteile aus Deutschland verwendet werden: Fahrzeugbau: ca. 60% der Gesamtproduktion Antriebskegelrad, Differentialgetriebe Maschinenbau: ca. 20% Exzenterwellen Kardanwelle, Getriebeflansche Quelle: Hirschvogel konisches Wälzlager Schraube Dampfturbine Quelle: wikipedia Quelle: MAN Turbo Luft- und Raumfahrt, Energiesektor, Medizintechnik, Schiffbau Massivumformverfahren Zum Schmieden werden hauptsächlich fünf Massivumformverfahren gezählt: Gesenkschmieden Stauchen Fließpressen Freiformschmieden Ringwalzen Gesenkschmieden Obergesenk Untergesenk Werkstück Werkstück Stauchen Klemmbacken Stauchstempel Stempel Werkzeug Werkstück Sattel Werkstück Axialwalzen Dornwalze Hauptwalze Werkstück Sattel Fließpressen Auswerfer Freiformschmieden Ringwalzen (Quelle: Industrieverband Massivumformung, 2011)

4 Massivumformverfahren Diese Sonderverfahren werden insbesondere für die Großserienfertigung bestimmter Teilefamilien verwendet. Ambossplatte Kontaktelektrode Hydraulikzylinder Werkstück Oberwerkzeug Werkstück Untergesenk Elektrostauchen Gesenkwalzen Walzkeil Grundwerkzeug Taumelglocke Werkzeugsegment Werkstück Walzkeil Obergesenk Werkstück Werkstück (Quelle: Industrieverband Massivumformung, 2011) Schmiedeteile in einem Bugfahrwerk Einfahrzylinder Verriegelungsstrebe Knickstrebe Gleitlagerung Gelenkarm Lenkzylinder Stoßdämpfer Torsionslenker Schleppverbindung Achse (Quelle: W. Adlof bzw. Airbus) -15- Grundwerkzeug Untergesenk Werkzeugsegment Werkzeugsegment Querkeilwalzen Taumelpressen Rundkneten -16-

5 Schmieden einer Kurbelwelle (Quelle: Deutsche Massivumformung) Schmiedbare Werkstoffe Stahlgruppe Normblatt Unlegierte Baustähle DIN EN Nichtrostende Stähle DIN EN Nickelbasislegierungen DIN EN Aluminiumknetlegierung DIN EN 573 (Quelle: Deutsche Schmiedetechnik)

6 Faserverlauf Der Faserverlauf entsteht beim Walzen durch Ausrichten von Seigerungen in Längsrichtung. Bei optimaler Umformung bleibt dieser Faserverlauf erhalten und verläuft parallel zur Bauteiloberfläche. Vierzylinder-Kurbelwelle mit Gegengewichten Systemhersteller 36% Ein optimaler Faserverlauf erhöht die dynamische Bauteilfestigkeit! (Quelle: Industrieverband Massivumformung, 2011) Spanende vs. umformende Fertigung Faserverlauf gestoßen umgeformt Faserverlauf unterbrochen durch spanende Fertigung Geringere Festigkeit Einfluss auf Schwing-und Verschleißfestigkeit Spanvolumen (Quelle: Bargel) Großes Spanvolumen Werkstoffeffizienz Beispiel: D außen = 1,2 D innen 70 % Spanvolumen Bezogenes Spanvolumen mm³ mm in g 31 kg 123 kg Innendurchmesser D i in mm

7 Vergleich: Warm-/ Kaltschmieden Warmschmieden Produktion von einzelnen Teilen Größere technische und wirtschaftliche Bedeutung Geringe Spannungen Keine / geringe Verfestigung Homogenes Gefüge Hohe Formbarkeit Mittlere bis geringe Genauigkeit Zunderbildung Temperaturen: Stahl: > C (bis zu C) Al-Legierung: 360 C C Cu-Legierung: 700 C C Kaltschmieden Produktion von einzelnen Teilen Prozess beinhaltet: Schmieden, Stauchen, Prägen Hohe Spannungen Kaltverfestigung Eingeschränkte Formbarkeit Endformnahe Bauteile Hohe Oberflächenqualität Vergleich Freiformschmieden / Gesenkschmieden Freiformschmieden Ziel: Erzielen geeigneter Massenverteilung oder einer geeigneten Form für nachfolgende Arbeitsprozesse (Zerspanen oder Gesenkschmieden) Einfache Werkzeuge, deren Geometrie nicht von der Produktgeometrie abhängt Gesenkschmieden Ziel: Erzielen bestmöglicher Form- und Maßgenauigkeit der Produkte Komplexe Werkzeuge, deren Geometrie produktbezogen ist Sattel Werkstück Obergesenk Untergesenk Werkstück Sattel

8 Typische Freiformschmiedebauteile Walze für die Herstellung von Plastikfolie: Stahl, Gewicht über 30 t Welle für eine Zerkleinerungsmaschine: Stahl, Gewicht ca. 25 t Lochscheibe als Halbzeug für das Hauptrad eines Schiffsgetriebes: Stahl, Gewicht ca. 6 t Ankerwelle für einen Gleichstrommotor: Stahl, Rohteilgewicht 13,6 t (Quelle: Dirostahl) Gesenkschmieden Definition (DIN ): Gesenkformen (Gesenkschmieden) ist Druckformen mit gegeneinander bewegten Formwerkzeugen (Gesenken), die das Werkstück ganz oder zu einem wesentlichen Teil umschließen und dessen Form enthalten (abformende Gestalterzeugung). Obergesenk v wz Rohteil Grat Untergesenk Ausgangszustand Endzustand

9 Materialfluss beim Gesenkschmieden 1) Einlegen des Rohlings und Stauchen 2) Breiten, der Werkstoff fließt vorrangig in Breitenrichtung 3) Steigen, der Werkstoff fließt vorrangig in Richtung der Kraftachse 4) Gratbildung 5) Überflüssiges Material wird durch die Gratbahn aus der Gravur abgeführt 6) Fertigschmieden Reibung beim Stauchvorgang Stauchversuch F Erreichbare Umformgrade σ f A 0 A(F) h(f) h 0 ϕ 0,8-1,0 Einfluss der Reibung: Probe vor der Umformung Umgeformte Proben μ = 0 μ = 0,1 μ = 0,5 Finite-Element-Simulationen 0 0,38 0,75 1,13 1,5 ϕ

10 Reibmodelle bei der Metallumformung ( τ ) max = k = Y / 2( Tresca) Reibung Schubreibungsspannung 1,0k 0,8k 0,6k 0,4k 0,2k 0,0k 0 µ =1,0 µ = 0,5 µ = 0,2 µ = 0,1 plastisch elastisch k f Normalspannung maximaler Reibzahl 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 elastisch Y 2 µ max = Normalspannung plastisch 0, k f Normalspannung Stofffluss beim Gesenkschmieden: Materialfluss und Kraft-Weg-Verlauf beim Gesenkschmieden Stauchen Breiten Steigen v wz v wz v wz Kraft-Weg-Verlauf beim Gesenkschmieden: relativ geringer Kraftbedarf für die Stauch- und Breitstufen große Kräfte erforderlich für das Steigen und vollständige Füllen von Kanten (Fertigschmieden) F Stauchen und Breiten Fertigschmieden Steigen S

11 Normalspannungsverläufe beim Stauchen Reibungsfreies Stauchen: σ z Stauchen mit Reibung (Reihenentwicklung): σ z Stauchen mit Reibung (Exponentialfunktion): σ z k f k f k σ = 0 f r σ r σ r l l l (Quelle: Lange) σ = k z f 2µ D σ z k f 1 + r l 2 σ = k e 2µ D r l 2 z f Verfahrensgrenzen beim Kaltstauchen von Stahl Werkzeug-Belastungsgrenze Grenze für das Formänderungsvermögen des Werkstoffs Bezogene Längenänderung e = l/l 0,,,,,,,., Knickgrenzen, Stauchen in einer Stufe Stauchungsgrad s = l 0 /D 0 Stauchen in zwei Stufen Stauchen in mehreren Stufen

12 Stauchen Materialfluss beim Gesenkschmieden 1) Einlegen des Rohlings und Stauchen 2) Breiten, der Werkstoff fließt vorrangig in Breitenrichtung 3) Steigen, der Werkstoff fließt vorrangig in Richtung der Kraftachse 4) Gratbildung 5) Überflüssiges Material wird durch die Gratbahn aus der Gravur abgeführt 6) Fertigschmieden

13 Qualitativer Verlauf der Radial-und Normalspannungen beim Pressformen mit Grat Spannung σ z σ z Kraft σ zgr 1max k f σ r σ r σ zgr2max k f r Obersattel Werkstück Arbeit W Plastischer Bereich Weg Untersattel (Quelle: Lange) ~A p Gr 1 Starrer Bereich ~A p S ~A p Gr 2 Einfluss der Gratgeometrie auf Prozessparameter Werkstoffüberschuss m in % Excess Material m in % Grat-Normaldruckpannungб max in MPa Axial Stress in Flash zmax in MPa m W σ zmax 80 mm F Gratbahnverhältnis Die-Land Ratio b/s b/s Forging Force F in kn Umformkraft F in kn Forging Work W in knm Umformarbeit W in knm Quelle: Lange

14 Spannung und Kraft-Berechnung beim Formschmieden: Streifenmethode Im Gratbereich wird die axiale Spannung nach der Streifenmethode nach Siebel errechnet: b σ z,max = k f 1+ 2 µ s Einfache Methode, um die Schmiedekraft zu schätzen: F = A σ max P z,max wobei die gesamte Projektionsfläche durch A P gegeben ist: A P = A K + A Gr A K : Projektionsfläche der Kavität A Gr : Projektionsfläche des Grates Mehrstufengesenk, FEM-Simulation Vorschmiedegravur (Stufe 3) Endgravur (Stufe 4) Recksattel (Stufe 1) 1. Ausgangsform 2. vorgeformte Vorform (Massenverteilung) Formsattel (Stufe 2) Untergesenk 3. Zwischengravur 4. Endgravur 5. Entgratetes Gesenkschmiedestück

15 Versagensfälle beim Gesenkschmieden Schmiedefalten durch zu wenig Werkstoff zu Beginn der Umformung in dem Zwischenraum Obergesenk Rippe Welle Falten Untergesenk Risse durch zu viel Werkstoff zu Beginn der Umformung in dem Zwischenraum Verdrängen des Werkstoffs Risse Varianten des Gesenkschmiedens Schmieden mit Grat Schmieden ohne Grat Obergesenk Grat Obergesenk Untergesenk Untergesenk Einsatzkriterien des Gesenkschmiedens Anwendungsziele: Rohteil-/Halbfertigteil-/Fertigteilherstellung endkonturnahe bis einbaufertige Bauteile Einsatz des Verfahrens in Mittel- bis Großserienfertigung Werkstückmassen: 50 g bis 1,5 t Quelle: Industrieverband Massivumformung

16 Versagenserscheinungen an Schmiedegesenken Verschleiß Thermische Ermüdung Mechanische Ermüdung Plastische Verformung (Quelle: Kannappan) Prozessschritte beim Gesenkschmieden (Quelle: Industrieverband Massivumformung, 2011)

17 Stufen beim Gesenkschmieden A Ausgangsform Z M Z B Zwischenform zur Masseverteilung Zwischenform des Biegens Z Q Zwischenform der Querschnittsvorbildung E Endform (Quelle: Lange, Meyer-Nolkemper, H.) Fertigungsstufen Fertigungsstufen (v.l.n.r.): Stahlabschnitt Vorgewalzter Abschnitt Vorschmiedeform Fertigschmiedeform Schmiedeteil (mit Grat) Kurbelwelle (Quelle: Industrieverband Massivumformung, 2011)

18 Fertigungs- und Entwicklungsrichtung (Quelle: Voelkner, 1998) Schmiedegerechte Gestaltung (Quelle: Voelkner)

19 Schmiedbarkeit (Quelle: Herbertz) Bauteilbeispiel Stirnrad Endgeometrie Endgeomtrie Entfeinern / idealisieren Bearbeitungszugaben Formschrägen & Kantenverrundungen

20 Werkzeugteilung (Quelle: Industrieverband Massivumformung, 2011) Regeln zur Gratlage (Quelle: Eberlein, Voelkner - Lehrbrief)

21 Regeln zur Gratlage (Quelle: Eberlein, Voelkner - Lehrbrief) Bauteilbeispiel Stirnrad Idealisierte Geometrie (Quelle: Industrieverband Massivumformung, 2011)

22 Gesenkarten (Quelle: Eberlein, Voelkner - Lehrbrief) Grundaufbau Hammergesenk (Quelle: Eberlein, Voelkner - Lehrbrief)

23 Grundaufbau Offenes Pressengesenk (Quelle: Eberlein, Voelkner - Lehrbrief) Grundaufbau Geschlossenes Gesenk (Quelle: Eberlein, Voelkner - Lehrbrief)

24 Mehrstufengesenk, FEM-Simulation 1. Ausgangsform Vorschmiedegravur (Stufe 3) Endgravur (Stufe 4) Recksattel (Stufe 1) 2. vorgeformte Vorform (Massenverteilung) 3. Zwischengravur Formsattel (Stufe 2) Untergesenk 4. Endgravur 5. Entgratetes Gesenkschmiedestück (Quelle: Lange, Meyer-Nolkemper) Benennung am Gesenk (Quelle: Eberlein, Voelkner - Lehrbrief)

25 Gratbahnform (Quelle: Eberlein, Voelkner - Lehrbrief) Gratraumdimensionierung (Quelle: Eberlein, Voelkner - Lehrbrief)

26 Gravurdimensionierung (Quelle: Eberlein, Voelkner - Lehrbrief) -65-